JP5637002B2

JP5637002B2 - 反応炉

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Publication number: JP5637002B2
Application number: JP2011032197A
Authority: JP
Inventors: 雄樹亀谷
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2031-02-17
Also published as: JP2012171808A

Description

本発明は、太陽熱を利用して燃料を生成する反応炉に関する。

近年、地球温暖化の原因となる温室効果ガスを抑制するため、化石燃料の代替エネルギーの研究が進められている。その一環として、太陽熱を利用して化学反応を起こし原料から燃料を生成することで、太陽熱エネルギーを化学エネルギーとして貯蔵する反応炉が提案されている。

例えば、メタンガスと二酸化炭素ガスの混合ガスに固体炭素の粉末である炭素粒子を混ぜた固気混合流体に、太陽光を集光して照射し、炭素粒子を太陽熱で加熱して、炭素粒子の熱で混合ガスに化学反応を生じさせ、水素ガスと一酸化炭素ガスを生成する技術の提案がある（例えば、特許文献１）。

特開２００５−５１１４６７号公報

一般に、水素ガスは燃料として、一酸化炭素ガスは還元ガスや原料として、別々の用途に用いられる。しかし、特許文献１に記載の技術では、一酸化炭素ガスと水素ガスとが混合した状態で生成されてしまう。そのため、生成された混合ガスに分離処理を施さなければならない。

本発明は、このような課題に鑑み、太陽熱を利用して燃料を生成する際、生成した一酸化炭素ガスと水素ガスの分離処理を不要とすることが可能な、反応炉を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の反応炉は、太陽光を集光する集光部と、集光された太陽光が透過する反応管であって、集光された太陽光によって加熱される炭素粒子と、炭素粒子の熱で吸熱反応を起こす原料とを流通させる反応管と、を備え、同一の反応管において、炭素粒子が加熱され、加熱された炭素粒子の熱を受けて吸熱反応である水素ガスと炭素粒子を生成する第１反応プロセスと、加熱された炭素粒子自体が反応して一酸化炭素を生成する第２反応プロセスとが、交互に行われることを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明の他の反応炉は、太陽光を集光する集光部と、集光された太陽光が透過する反応管であって、集光された太陽光によって加熱される炭素粒子と、炭素粒子の熱で吸熱反応を起こす原料とを流通させる複数の反応管と、を備え、複数の反応管のうち第１の反応管において、炭素粒子が加熱され、加熱された炭素粒子の熱を受けて吸熱反応である水素ガスと炭素粒子を生成する第１反応プロセスが行われ、複数の反応管のうち第２の反応管において、加熱された炭素粒子自体が反応して一酸化炭素を生成する第２反応プロセスが行われることを特徴とする。

本発明の反応炉によれば、太陽熱を利用して燃料を生成する際、生成した一酸化炭素ガスと水素ガスの分離処理を不要とすることが可能となる。

集光システムを構成する各装置の概略的な関係を示した説明図である。反応炉の全体構成を示した説明図である。複数の反応管を説明するための説明図である。反応管内部の吸熱反応を説明するための説明図である。複数の反応管の他の例を示した説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（集光システム１００）
図１は、集光システム１００を構成する各装置の概略的な関係を示した説明図である。本実施形態の集光システム１００は、ヘリオスタット１１０と、タワー１２０と、反応炉１３０とを含んで構成される。

ヘリオスタット１１０は、複数の平面鏡と駆動機構で構成され、太陽１４０の日周運動に合わせて平面鏡を駆動し、平面鏡で反射した太陽光をタワー１２０の上部へ導く。タワー１２０は、上部に導光窓１２２を有し、その内側に反応炉１３０を備える。ヘリオスタット１１０が導光窓１２２に集光した太陽光は、導光窓１２２を通じて反応炉１３０に照射される。反応炉１３０は、照射された太陽光による太陽熱で原料に化学反応を起こさせ燃料を生成する。

（反応炉１３０）
図２は、反応炉１３０の構成を示した説明図である。特に、図２（ａ）は、反応炉１３０の斜視図を、図２（ｂ）は、集光部２００を取り外したときの反応炉１３０の斜視図を示す。本実施形態の反応炉１３０は、集光部２００と、断熱体２０２と、入射窓２０４と、複数の反応管２０６とを含んで構成される。

集光部２００は、例えば、内面２００ａに反射鏡が配され、導光窓１２２を通じて照射された太陽光を内面２００ａの反射鏡でさらに集光し、入射窓２０４に導く。断熱体２０２は、断熱性を有し、複数の反応管２０６が内部を貫通する。

入射窓２０４は、図２（ｂ）に示すように、断熱体２０２の壁面に設けられた、断熱体２０２外部から内部まで連通した連通穴であり、集光部２００の端部が接続され、集光部２００が集光した太陽光を、複数の反応管２０６に直接投射させる。

図３は、複数の反応管２０６を説明するための説明図である。特に、図３（ａ）は、集光部２００を外した場合の反応炉１３０について、反応管２０６の長手方向に垂直な断面（以下、水平断面と称す）を示し、図３（ｂ）は、反応炉１３０のＸＸ断面図を示し、図３（ｃ）は、反応管２０６について、反応管２０６の長手方向に平行な断面を示す。

図３（ａ）に示すように、入射窓２０４から入射した太陽光（図３（ａ）中、矢印で示す）が、図３（ｂ）に示す破線枠２３０の範囲に照射し、複数の反応管２０６それぞれが太陽光を受光する。複数の反応管２０６は、太陽光が透過する反応管であり、その内部に、図３（ｃ）に示すように、炭素粒子２４０と、原料（図示せず）とを流通させる。流れの向きは鉛直下方向（図３（ｂ）中、矢印で示す）とする。

例えば、反応炉１３０の処理量を増やす（スケールアップする）ことを試みる場合、反応管２０６の管径を大きくすると、管内部で照射される太陽光の強さに偏りが出てしまう。本実施形態の反応炉１３０は、１つの断熱体２０２および入射窓２０４に対して、複数の反応管２０６を備えることで、反応管２０６一つ当たりの水平断面の断面積を小さくし、反応管２０６内部の水平断面方向の温度勾配を低くする。こうして、反応炉１３０の処理量を増やす場合であっても、水素ガスや一酸化炭素ガスの生成に必要なエネルギーが反応管２０６内に水平断面方向に満遍なく供給されることとなり、反応炉１３０は、効率的に太陽熱エネルギーを化学エネルギーとして貯蔵できる。

複数の反応管２０６の内部では、炭素粒子２４０が、集光された太陽光によって加熱され、原料が、その炭素粒子２４０の熱で吸熱反応を起こす。以下、その吸熱反応を利用した２通りの処理について、図４を用いて詳述する。

図４は、反応管２０６内部の吸熱反応を説明するための説明図である。特に図４（ａ）は、二酸化炭素のドライ改質反応の化学式を示し、図４（ｂ）は、金属酸化物の還元反応の化学式を示す。

（二酸化炭素のドライ改質処理）
二酸化炭素のドライ改質処理は、２つの反応プロセスに分けられる。１つ目の反応プロセスである第１反応プロセスでは、原料であるメタンガス（ＣＨ_４）が吸熱し炭素粒子２４０と水素ガス（Ｈ_２）に分解される。以下にその化学式（１）を示す。本実施形態において、Ｃ（ｓ）は、固体の炭素粒子を示す。
ＣＨ_４→Ｃ（ｓ）＋２Ｈ_２ ΔＨ＝７５ｋＪ／ｍｏｌ …（１）

第１反応プロセスにおいて生成された水素ガスは、分解しきれなかったメタンガスおよびアセチレンガス（Ｃ_２Ｈ_２）等の副生成物と共に、さらに天然ガスと混合して既存のガスインフラで利用される。また、ガス分離処理によって、水素ガスのみを抽出して純度を高めることもできる。この場合、分解しきれなかったメタンガスおよびアセチレンガス（Ｃ_２Ｈ_２）等の副生成物は、原料として再利用される。

２つ目の反応プロセスである第２反応プロセスでは、原料である二酸化炭素ガスと第１反応プロセスで生成された炭素粒子２４０の吸熱反応により、一酸化炭素ガス（ＣＯ）が生成される。以下にその化学式（２）を示す。
Ｃ（ｓ）＋ＣＯ_２→２ＣＯ ΔＨ＝１７２ｋＪ／ｍｏｌ …（２）

生成された一酸化炭素ガスは、ガス分離処理によって未反応の二酸化炭素ガスと分離することで純度を高めることもできる。この場合、未反応の二酸化炭素ガスは、原料として再利用される。

このように、図４（ａ）の枠２５０に示す第１反応プロセスおよび第２反応プロセスは吸熱反応であり、本実施形態では、反応管２０６の内部において、太陽光により加熱された炭素粒子２４０から熱を奪いながら反応が進むこととなる。そして、第１反応プロセスで生成された炭素粒子２４０は、第１反応プロセスにおける熱化学反応媒体（太陽光を受光して反応場へ熱を供給する媒体）として再利用される他、第２反応プロセスにおける原料として用いられる。

（金属酸化物の還元処理）
反応管２０６で行う、吸熱反応を用いたもう一方の処理は、図４（ｂ）に示す、金属酸化物の還元処理である。ここでは、金属酸化物として酸化亜鉛を例に挙げて説明するが、他の金属酸化物であってもよいことは言うまでもない。

金属酸化物の還元処理は、３つの反応プロセスに分けられる。第１反応プロセスでは、二酸化炭素のドライ改質処理の第１反応プロセスと同様、原料であるメタンガスが炭素粒子２４０と水素ガスに分解される。化学式は上述した化学式（１）と同じである。
ＣＨ_４→Ｃ（ｓ）＋２Ｈ_２ ΔＨ＝７５ｋＪ／ｍｏｌ …（１）

第２反応プロセスでは、原料である酸化亜鉛が炭素粒子２４０存在下で還元され、一酸化炭素ガスが生成される。以下にその化学式（３）を示す。
Ｃ（ｓ）＋ＺｎＯ→ＣＯ＋Ｚｎ ΔＨ＝２３８ｋＪ／ｍｏｌ …（３）

第３反応プロセスでは、亜鉛と水が反応し、水素ガスが生成する。以下にその化学式（４）を示す。
Ｚｎ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＺｎＯ ΔＨ＝−６２ｋＪ／ｍｏｌ …（４）

二酸化炭素のドライ改質処理と同様、図４（ｂ）の枠２５０に示す第１反応プロセスおよび第２反応プロセスは吸熱反応であり、本実施形態では、反応管２０６の内部において、太陽光により加熱された炭素粒子２４０から熱を奪いながら反応が進む。

また、第２反応プロセスでは、反応管２０６に炭素粒子２４０と酸化亜鉛に加え、キャリアガスが投入される。キャリアガスは、炭素粒子２４０および酸化亜鉛に対して不活性なガスであり、例えば、窒素ガスやアルゴンガスが用いられる。

さらに、金属酸化物の還元処理においては、二酸化炭素のドライ改質処理と異なり第３反応プロセスがあるが、この反応は吸熱を伴わないため反応管２０６内部の太陽熱を利用する必要はなく、他の発熱可能な領域において進められる。第３反応プロセスで生成された酸化亜鉛は第２反応プロセスの原料として再利用される。

本実施形態では、複数の反応管２０６に投入する原料をメタンガスと二酸化炭素ガスとで切り換えることにより、上述した二酸化炭素のドライ改質処理の第１反応プロセスと第２反応プロセスとがそれぞれ排他的に行われる。同様に、複数の反応管２０６において、投入する原料をメタンガスと酸化亜鉛とで切り換えることにより、上述した金属酸化物の還元処理の第１反応プロセスと第２反応プロセスとがそれぞれ排他的に行われる。ここで、「排他的に行う」は、第１反応プロセスと第２反応プロセスとを同一の反応管２０６で同時に進行させないことを意味し、例えば、任意の１の反応管２０６で、第１反応プロセスと第２反応プロセスとを時間を異ならせて交互に行ったり、第１反応プロセスと第２反応プロセスとをそれぞれ別々の反応管２０６で行ったりすることである。

生成した水素ガスを、例えば、燃料電池で利用する場合、一酸化炭素が混入していると触媒を被毒してしまう場合がある。従来では、水素ガスと一酸化炭素ガスとが混合した状態で生成されていたため、両者をガス分離処理によって分離しなければならなかった。本実施形態では、第１反応プロセスと第２反応プロセスとがそれぞれ排他的に行われることから、反応炉１３０は、水素ガスと一酸化炭素ガスとをそれぞれ分離して生成し、反応プロセスにおいて両ガスを混合させない。そのため、反応炉１３０は、水素ガスおよび一酸化炭素ガスを高い純度で分離生成でき、両ガスの分離処理にかかるコストを削減することが可能となる。

また、反応炉１３０は、第２反応プロセスにおいて、熱化学反応媒体として、第２反応プロセスの生成物と同じ炭素粒子２４０が用いられているため、反応後に、熱化学反応媒体と生成物の炭素粒子２４０とを分離する必要がなくコストを低減できる。

さらに、反応炉１３０は、第２反応プロセスにおいて、太陽光を受光して発熱する媒体の炭素粒子２４０自体を反応させて一酸化炭素ガスを得るため、第１反応プロセスと第２反応プロセスを合わせると、従来のメタンガスの改質反応に比べ、同じｍｏｌ数に対して約３倍程度、太陽熱エネルギーを吸熱して化学エネルギーに変換できる。

また、複数の反応管２０６のうち、第１反応プロセスと第２反応プロセスとが、異なる反応管２０６で並行して行われてもよい。換言すれば、複数の反応管２０６を、第１反応プロセスを行うものと、第２反応プロセスを行うものとに分けて用いてもよい。

第１反応プロセスと第２反応プロセスとを、異なる反応管２０６で並行して行う構成により、例えば、１つの反応管２０６で、第１反応プロセスと第２反応プロセスとを所定周期毎に交互に切り換えて行う場合に比べ、切換処理が不要となり作業コストを抑制できる。さらに、反応炉１３０は、第１反応プロセスと第２反応プロセスとが同じ反応管２０６を通過することがないため、生成する水素ガスや一酸化炭素ガスの混合を回避することが可能となる。

図５は、複数の反応管２０６の他の例を示した説明図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＡＡ断面図であり、図５（ｄ）は、図５（ｃ）におけるＢＢ断面図である。図５（ａ）に示すように、複数の反応管２０６には、内部経路２０６ａとその外側に配された外部経路２０６ｂとが設けられ、内部経路２０６ａと外部経路２０６ｂは端部２０６ｃで連通している。この場合、複数の反応管２０６は、図５（ｂ）に示すように、例えば太陽光を透過する２つの反応管による二重管構造となっている。

内部経路２０６ａと外部経路２０６ｂとが端部２０６ｃで連通する構成により、原料と炭素粒子２４０に太陽光を照射する時間を例えば２倍程度に延長でき、より吸熱反応を促進することが可能となる。

また、図５（ｃ）（ｄ）に黒塗りで示す内側の反応管２０６ｄの材料は、透明材料に限られず太陽光を遮光または減光する不透明部材で構成されてもよい。かかる構成により、炭素粒子２４０によって吸収されなかった太陽熱を反応管２０６ｄが吸収し、反応管２０６ｄから内部経路２０６ａと外部経路２０６ｂを流動する原料と炭素粒子２４０に伝熱することで、より吸熱反応を促進することが可能となる。

さらに、複数の反応管２０６は、図５（ｅ）に示すように、反応管２０６の長手方向に入射光（入射窓２０４から入射する太陽光）が垂直となるよう、かつ、長手方向に垂直な面（水平断面）上において、入射窓２０４を中心側とする円弧状（円弧２６０に沿うように）に配置されてもよい。

このような配置とすることで、集光した太陽光を複数の反応管２０６に均等に受光させることができ、複数の反応管２０６間の水平断面方向の入射光のムラが抑制され、水平断面方向の温度勾配が低くなる。すなわち、水素ガスや一酸化炭素ガスの生成に必要なエネルギーが反応管２０６内に水平断面方向に満遍なく供給されることとなり、反応炉１３０は、効率的に太陽熱エネルギーを化学エネルギーとして貯蔵できる。

また、図５（ｆ）に示すように、複数の反応管２０６内部の炭素粒子２４０と、原料の流れの向きを鉛直上方向にしてもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、太陽熱を利用して燃料を生成する反応炉に利用することができる。

１３０ …反応炉
２００ …集光部
２０２ …断熱体
２０４ …入射窓
２０６ …反応管
２４０ …炭素粒子

Claims

太陽光を集光する集光部と、
集光された前記太陽光が透過する反応管であって、該集光された太陽光によって加熱される炭素粒子と、該炭素粒子の熱で吸熱反応を起こす原料とを流通させる反応管と、
を備え、
同一の前記反応管において、前記炭素粒子が加熱され、加熱された該炭素粒子の熱を受けて前記吸熱反応である水素ガスと炭素粒子を生成する第１反応プロセスと、加熱された該炭素粒子自体が反応して一酸化炭素を生成する第２反応プロセスとが、交互に行われることを特徴とする反応炉。
太陽光を集光する集光部と、
集光された前記太陽光が透過する反応管であって、該集光された太陽光によって加熱される炭素粒子と、該炭素粒子の熱で吸熱反応を起こす原料とを流通させる複数の反応管と、
を備え、
前記複数の反応管のうち第１の反応管において、前記炭素粒子が加熱され、加熱された該炭素粒子の熱を受けて前記吸熱反応である水素ガスと炭素粒子を生成する第１反応プロセスが行われ、該複数の反応管のうち第２の反応管において、加熱された該炭素粒子自体が反応して一酸化炭素を生成する第２反応プロセスが行われることを特徴とする反応炉。